電動汽車電池管理的遠程監(jiān)護與故障診斷

何樸芳，吳　赟，蔣新華(.東華大學(xué)，上海060；.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海065)

電動汽車電池管理的遠程監(jiān)護與故障診斷

何樸芳1，吳赟1，蔣新華2
(1.東華大學(xué)，上海201620；2.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海201615)

結(jié)合GPRS無線傳輸和CAN通信的高可靠性，設(shè)計了一種以MSP430為主控制器的面向電池管理的遠程監(jiān)護與故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對批量電池生產(chǎn)設(shè)計的遠程實時監(jiān)控、安全保護、故障診斷、SOC估算校正等，掌握現(xiàn)場電池運行狀態(tài)，有效評估電池優(yōu)劣，提高電池組利用率和使用壽命，降低人員工作量，控制風(fēng)險，具有一定實用價值。

電池管理；CAN通信；無線傳輸

傳統(tǒng)的電池批量生產(chǎn)中，或者大型電動汽車、列車的電池設(shè)計時，針對電池管理系統(tǒng)采集的電池單體電壓、電流和溫度、荷電狀態(tài)(SOC)等數(shù)據(jù)，都采用RS-232串口傳輸，通訊距離不能太長，不能直接實現(xiàn)遠程控制的需求，傳輸速度慢，限制數(shù)據(jù)的大量高速傳輸。GPRS無線技術(shù)具有隨時在線、運行費用低、覆蓋范圍廣等特點，適合于需頻繁傳送小流量的應(yīng)用領(lǐng)域，采用TCP/IP協(xié)議，通過無線通道傳輸數(shù)據(jù)，有效解決工業(yè)設(shè)備與外界交換中通訊距離短、傳輸速度慢、傳輸數(shù)據(jù)量少的問題，并減輕工作人員工作量，提高時間利用率，降低風(fēng)險[1]。

本文設(shè)計面向電池管理的遠程監(jiān)護與故障診斷系統(tǒng)，以MSP430F149為主控制器，CAN總線技術(shù)和GPRS無線技術(shù)為核心，傳輸電池管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程終端與近端管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和指令的交流，對電池組的實時監(jiān)護與故障診斷，SOC估算校正，實行對電池組單體電池的優(yōu)劣分類、替換、設(shè)計高匹配的電池組等。

1系統(tǒng)方案設(shè)計

本文完成數(shù)據(jù)遠程傳輸，近端實現(xiàn)CAN總線傳輸采集的數(shù)據(jù)至主控制器，主控制器對數(shù)據(jù)進行讀取換算，閾值判斷，顯示屏顯示，并控制GPRS模塊，發(fā)送至遠程終端。每套電池組都帶有電池管理系統(tǒng)(BMS)，完成單體電池的電壓和溫度的檢測，總電壓和總電流的測量、電池組充放電控制、SOC估算

此外，系統(tǒng)還提供短信報警功能，當(dāng)發(fā)生參數(shù)超限時，主控制器自動向預(yù)先設(shè)定的維保人員手機發(fā)送報警短信，當(dāng)BMS系統(tǒng)故障或GPRS網(wǎng)絡(luò)通信中斷，也可以通過短信途徑報警。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　　系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

從設(shè)計成本和節(jié)能出發(fā)，本文選用美國德州儀器(TI)1996年推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器——MSP430單片機作為中央控制器，具有處理能力強、運算速度快、超低功耗的特點，性價比高。

CAN通信選用Microchip的MCP2515，獨立的控制器局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器，完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴展數(shù)據(jù)幀以及遠程幀，自帶兩個驗收屏蔽寄存器和六個驗收濾波寄存器，可以過濾掉不想要的報文，減少MCU的開銷，有獨立的SPI接口，連線方便。

GPRS模塊選用 LQ 1000 GPRS DTU，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/485數(shù)據(jù)接口，可以方便地連接各種設(shè)備，僅需一次性完成初始化設(shè)置，用戶設(shè)備就可以與數(shù)據(jù)中心通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全透明傳輸。

MSP430F149有兩個USART通信端口，支持串口異步和同步通訊，在硬件組合時串口0連接GPRS模塊實現(xiàn)無線通信，串口1作為SPI口進行CAN通信通訊。系統(tǒng)上電后，BMS負(fù)責(zé)單體電壓溫度、總體電壓電流等信息的采集和計算，并將數(shù)據(jù)上傳到總線，監(jiān)控中心定時接收總線上的數(shù)據(jù)信息，完成電池組的數(shù)據(jù)顯示、平衡管理、安全控制等，以及實現(xiàn)遠程監(jiān)控。上位機具有TCP偵聽功能，隨時接收GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　硬件系統(tǒng)

3 軟件設(shè)計

3.1CAN總線應(yīng)用程序

3.1.1CAN協(xié)議

本通信系統(tǒng)采用CAN2.0B協(xié)議擴展幀格式，對其ID進行功能劃分，通訊波特率選擇125 kb/s。網(wǎng)絡(luò)通信以幀為單位進行，CAN幀一律為8 Byte數(shù)據(jù)的擴展格式幀，幀ADDRO中各bit定義為：FF=1(擴展格式)；RTR=0(非遠程幀)；DLC. 3-DLC.0=1 0 0 0(幀報文格式為8個字節(jié))。擴展幀共有29位ID，設(shè)計為：優(yōu)先級2|功能碼4|報文編號6位|源地址8位|目標(biāo)地址8位|應(yīng)答位1[2]。

優(yōu)先級：00,01,10,11，分別指示報文的優(yōu)先級，00為最高級，用于發(fā)送控制命令和報警信息，11為最低級，用于發(fā)送狀態(tài)信息，01用于設(shè)置參數(shù)，10用于發(fā)送異常信息。

功能碼：用于指示報文的信息類別，包含溫度信息、電壓信息、電流信息、總電流電壓信息、SOC、異常信息等。

報文編號：6位，用于主控制器識別數(shù)據(jù)來源以及發(fā)送控制命令到各BMS單元的單元編號，接收報文的節(jié)點，根據(jù)報文中單元編號對對應(yīng)的BMS單元進行控制。

應(yīng)答位：1位，對報警信息和控制信息做出應(yīng)答，狀態(tài)信息無需應(yīng)答。

對于整個電池系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)可以打包到1幀中，保證數(shù)據(jù)的發(fā)送效率，充分利用總線帶寬，對于需要快速發(fā)送的數(shù)據(jù)比如控制命令、報警信息，數(shù)據(jù)長度要盡可能短，以確保傳輸時間足夠短，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

3.1.2初始化

CAN總線建立通信，首先進行初始化，根據(jù)擴展幀模式對接收發(fā)送緩沖器、驗收屏蔽寄存器和驗收濾波器、位定時等參數(shù)做相應(yīng)的設(shè)置；設(shè)置完畢，系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)接收傳輸狀態(tài)，準(zhǔn)備待發(fā)報文，接收報文并對錯誤狀況進行處理。初始化程序如下：

3.1.3發(fā)送報文和接收報文

在發(fā)送起始幀SOF之前，等待發(fā)送的報文的發(fā)送緩沖器的優(yōu)先級進行比較，由于發(fā)送緩沖器0的優(yōu)先級高于發(fā)送緩沖器1，因此發(fā)送緩沖器0將先發(fā)送。通過將TXBnCTRL. TXREQ位置1，即啟動相應(yīng)緩沖器的報文發(fā)送。

報文驗收濾波器及屏蔽寄存器用來確定報文集成緩沖器中的報文是否應(yīng)該被載入接收濾波器，報文標(biāo)識符段將與寄存器的值進行比較，匹配者對應(yīng)的報文將被載入相應(yīng)的接收濾波器。主控制器收到數(shù)據(jù)，存入內(nèi)存單元，根據(jù)CAN協(xié)議分離ID部分和數(shù)據(jù)部分，ID可以分辨出信息來源和信息類型，按照協(xié)議結(jié)構(gòu)提取數(shù)據(jù)的起始字節(jié)和總字節(jié)數(shù)，經(jīng)過偏移量和比例因子運算計算出數(shù)據(jù)的十進制值[3]。

濾波/屏蔽寄存器真值表見圖3。

發(fā)送和接收的流程如圖4、圖5所示。

圖3　濾波/屏蔽寄存器真值表

圖4　　發(fā)送流程

圖5　　接收流程

3.2GPRS技術(shù)

本文實現(xiàn)遠程傳輸采用GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為中介，GPRS技術(shù)的關(guān)鍵是以IP包的格式將數(shù)據(jù)進行包裝，通過PPP協(xié)議獲取動態(tài)分配的IP地址，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(TCP，UDP)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通訊。如果上位機的IP地址是隨機非固定的，需采用動態(tài)域名解析的方式解決每次開機IP地址不一樣的問題，將GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)定為固定的域名地址，上位機通過域名解析軟件將固定域名解析為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的公共IP地址，所采用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為TCP協(xié)議[4]。

系統(tǒng)上電后，GPRS初始化，設(shè)置UART0串口波特率，發(fā)送AT指令激活GPRS移動網(wǎng)絡(luò)，獲取動態(tài)IP，設(shè)置好接收IP和端口，傳輸數(shù)據(jù)。GPRS發(fā)送的數(shù)據(jù)段內(nèi)容結(jié)構(gòu)和CAN設(shè)置的格式類似，上位機依據(jù)每段字節(jié)含義分解數(shù)據(jù)，偵聽到數(shù)據(jù)來臨，判斷起始位是否狀態(tài)信息、異常信息或者報警信息，對數(shù)據(jù)進行分類保存，最終得到每組電池運行情況動態(tài)表。若上位機接收到異常信息，查看對應(yīng)異常電池組動態(tài)變化，判定異常級別，故障診斷，并給予信息反饋和處理措施。對于報警信息，上位機回復(fù)控制命令至主控制器，主控制器發(fā)送至BMS單元，實現(xiàn)安全控制。

GPRS模塊參數(shù)設(shè)置的指令有：

AT+CGCLASS="B" //設(shè)置模塊工作類型；

AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET" ；

AT+CGATT=1//激活PDP，獲得IP

AT+CIPCSGP=1,"CMNET" ；

AT+CIPSTART="TCP",IP地址 ；

AT+CIPSEND ，"內(nèi)容"。

為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠實時，BMS所有單元與主控制器、上位機每5分鐘發(fā)送一次互動信息，由主控制器發(fā)出，BMS單元和上位機給予回應(yīng)，當(dāng)回應(yīng)信息沒有正常收到，主控制器發(fā)送報警信息至管理員手機。軟件流程如圖6所示。

圖6　　軟件流程

4 結(jié)束語

本實驗通過對8組電池、每組電池8節(jié)進行充放電，實現(xiàn)了對電池組的電壓、電流、溫度以及SOC狀態(tài)的監(jiān)測和安全管理，GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程狀態(tài)監(jiān)護，工作人員通過上位機可以實時查看電池系統(tǒng)狀況和異常情況，減輕工作量，降低風(fēng)險。根據(jù)上位機存儲的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，可以進行故障診斷，和近端電池系統(tǒng)進行指令溝通，可以結(jié)合數(shù)據(jù)進行安全分析，方便工作人員有目的地分析數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)狀況分析電池系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)，檢測異常報文的可靠性，實現(xiàn)即時調(diào)整預(yù)警閾值，提高工作效率。進行單體電池的比較分析，替代劣質(zhì)電池，可組合高匹配電池組，設(shè)計高利用率、高安全的電池系統(tǒng)。

[1]景柏豪，沈孟良，唐曄鈞.CAN-Modbus/TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2013，34(5)：1552-1556.

[2]王邦繼，劉慶想，李相強，等.CAN總線應(yīng)用層協(xié)議的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用，2011，47(20)：14-16.

[3]陳燕虹，沈帥，劉宏偉，等.多輛電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2013，43(2)：285-290.

[4]楊文繼，陳恒，金偉.一種基于GPRS通信的車輛檢測器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(15)：164-166.

Battery management system for remote monitoring and fault diagnosis

HE Pu-fang1,WU Yun1,JIANG Xin-hua2
(1.Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Shanghai Aerospace Power Technology Co.,LTD,Shanghai 201615,China)

Combined with GPRS wireless transmission and CAN communication with high reliability,a kind of battery management system for remote monitoring and fault diagnosis was designed,that MSP430 was used as the main controller，to realize remote real-time monitoring for the batch of battery production design,safety protection,fault diagnosis,SOC estimation,calibration,etc.The battery operation state was mastered,batteries were effectively evaluated,the utilization rate and the service life of the battery pack were improved,the workload of workers,and controlrisk were reduced.Above all had certain practical value.

battery management;CAN bus communication;wireless transmission

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0110-03

2015-06-05

何樸芳(1989—)，女，安徽省人，碩士，主要研究方向為電源管理、無線通信。和故障預(yù)警等功能。BMS設(shè)有CAN通信接口，定時向外發(fā)送電池組工況數(shù)據(jù)，經(jīng)過CAN通道至主控制器MSP430，并由主控制器控制GPRS模塊上傳遠程上位機，實現(xiàn)遠程監(jiān)護電池系統(tǒng)的運行。